探讨金属材料的力学性能实验方法及力学实验设备

时间：2024-05-20

吕晓军,刘舟

（西安航空学院,西安 710077）

0 前言

金属材料作为现代社会的重要组成部分，其对于零部件的运行具有积极的促进作用[1]。在金属材料的选择中，需要对材料的力学性能进行综合分析，以便满足设备的运行需求。因此，探究金属材料的力学性能实验方法以及力学实验设备的种类具有重要的价值。

1 金属材料力学性能实验方法

（1）拉伸测试。拉伸测试是测量金属产品质量的重要方式，在测试过程中，需要对仪器以及设备的数据进行限定，降低客观因素对数据的影响[2]。以低碳钢的测试为例，在规定屈服载荷Ps后，在主动针停止转动时测量，横截面积为A，则其最大屈服极限为Ps/A。拉伸实验具有简单便捷的特点，在分析过程中，建立应变曲线，可以观测材料的极限以及弹性模量等相关信息，并且在实验过程中，材料的受力均匀，可以获取单向应力关系。

（2）压缩测试。压缩测试主要应用于对材料的屈服极限以及抗拉强度的测试，通过观察材料的变形以及破坏形式，可以较好的确定材料力学性能[3]。在测试过程中，由于材料的受压程度不一，因而需要采用球形承垫的方式来进行测试，以低碳钢的压缩测试为例，在测试过程中，需要遵循胡克定律的规则，压缩曲线呈现直线的变化趋势，在出现非线性变化时，表示材料达到了屈服，之后其呈现曲线变化的趋势，另外，在随着载荷不断增加的情况下，塑性变形呈现快速增长的趋势，其可以通过屈服载荷/横截面积的方式来确定屈服极限。压缩实验具有变形量大的特点，可以弥补拉伸实验的不足，同时在实验过程中，需要通过润滑油的方式来降低表面的摩擦力。

（3）扭转测试。扭转测试需要在材料上绘制直线，确定扭转变形，并且确定材料的屈服极限以及剪切强度极限。该测试方法在应用过程中，运用螺栓进行固定，在电机减速转动的过程中，夹头运动带动工件扭转，继而出现变形。在扭转测试中，材料处于切应力状态，通过扭转实验，可以确定材料的机械特性，以低碳钢为例，在进行扭转测试的过程中，主要分为弹性、屈服、强化以及断裂四个阶段，扭矩分别为Tp、Ts和Tb，经过分析，其剪切屈服极限值为3MTb/4Wp。在工件的破坏现象分析方面，在其横截面上具有剪应力，同时低碳钢的抗剪能力相对较弱，因而会沿着横截面出现破坏。

（4）硬度测试。硬度测试主要采用受力方式进行测量，通常采用压入法，根据布氏硬度的方式来进行测量，将合金置于一定压力下，可以确定其压痕面积S=1/2πD（D-D2-d2），通过布氏硬度进行测算，可以较好的确定材料的硬度。布氏硬度具有较高的代表性，压痕面积相对较大，可以反映材料的平均情况，但是其不利于成品检验。布氏硬度主要应用于锻钢和铸铁等金属材料的测试，但是对于有色金属等材料的硬度测试能力存在明显的不足，维氏硬度可以用于成品的测量，是常用的测量手段，其测试数值为试验力与表面积S的比值。在维氏硬度的测试中，对角线的长度通常为0.02-1.4mm，其主要应用于材料研究以及科学试验等几个方面。另外，维氏硬度压痕为正方形，便于测量，但是在使用过程中，对于材料的光滑度要求相对较高，因而仅仅应用于实验室的测量。

2 金属材料力学实验设备

（1）万能试验机。万能试验机可以对多种材料进行拉伸、弯曲和压缩等实验，具有效率高的特点，其主要是由测量、驱动和控制系统等结构组成。其对力值的测量主要是通过传感器、放大器和数据处理来实现，对于传感的设计，通常是采用差动全桥测量方式，对于形变的测量，通常是通过测量过程中产生的形变而进行分析。其驱动系统主要是通过伺服系统控制电机来实现控制；对于控制系统，是通过操作台以及电脑控制的方式来实现。

（2）扭转实验机。扭转实验机主要是应用于零部件的扭转力情况下的性能测试，其通常应用于相关机构或者学校的研究，可以对扭矩、转角以及扭转角进行测量，其主要包括以下几种类型：第一，弹簧扭转实验机，其主要采用数字放大、数字采集以及闭环系统等先进的技术来实现测量；第二，线材扭转实验机，其主要测量0.1-10mm的金属线材，可以确定线材的缺陷，主要通过单向扭转和双向扭转来完成实验。单向扭转主要是通过一个方向的360度扭转作为测试参数，而双向扭转则是在相反两个方向扭转360度来测量参数。第三，材料扭转实验机，主要是由高精度扭转传感器、光电编码器以及数字显示等技术来实现对扭矩以及转角的测试。

（3）摆锤式冲击试验机。摆锤式冲击试验机主要是测量材料抵抗冲击的性能，其主要分为手动、半自动和全自动三种类型，其可以根据需求来选择冲击功的大小。在实验过程中，通过继电器以及离合器等器件的操作，可以实现摆锤冲击操作，并且具有自动扬摆功能，可以全面测试材料的冲击力。